高电压可控硅整流电源
摘要：在45KA/500V整流电源的基础上，依据世界铝电解开展趋势，本所又开发成功国内直流电压最高的35KA/1150VDC同相逆并联可控硅三相桥式整流电源,在技能目标及结构工艺上有进一步的前进,到达今世世界先进水平。本文对此电源作扼要介绍，并对电源间环流作了开始剖析。
关键词：高电压 同相逆并联 可控硅 整流 环流
–、前语
进入90年代以来，跟着我国电解铝工业技能的开展，为下降能耗，对铝电解直流电源的要求越来越高。目前我国许多铝厂选用的是60年代后期引入或国产的递降变压器+有载调压开关与二极管整流器组成的供电电源体系，均匀稳流精度约5%，动态呼应差，有载开关寿命短、修理量大。80年代加入了饱满电抗器细调，减少了有载开关的动作次数，均匀稳流精度可达1~3%，但动态稳流精度仍较差，影响牢靠性。此类体系因为带有载开关的变压器结构杂乱，牢靠性较低，稳流精度低，体系出资高。80年代后期，国内三家铝厂（山东铝业公司、贵州铝厂、平果铝厂）先后引入由ABB公司出产的直降大电流可控硅整流机组，动态稳流精度0.1%、整流功率高于98%，单台整流器电流可达56KA，电流功率高、节能、无接点、无载跳闸、牢靠性高、运转经济效益显着，但进口价格昂贵。1995年11月由天津电气传动规划研究所与山东铝业公司联合开发的单机容量45KA/500V同相逆并联可控硅整流电源，在山东铝业公司电解铝厂投入运转。体系的全体功用到达90年代世界同类产品先进水平，稳流精度0.1%、整流功率高于98%，而噪音、均流等目标优于同期的ABB产品；彻底可以替代同类进口产品，而出资比引入国外产品节约40%以上；可完结无载跳闸、牢靠性高、修理量小、有显着的增产节能作用。本产品取得97年我国有色金属工业总公司科技前进二等奖、机械工业部科技前进一等奖、98年国家科技前进二等奖、被原国家科技委员会审定为国家级新产品。
当时电解系列正朝着大电流、高电压的方向开展，铝电解系列最大电流达300KA，电压达1200V。一个电解系列电解槽越多，所需的供电电源额外电压越高，则供电整流体系功率越高，电解系列效益也越好。研发容量更大，额外电压更高的高功用可控硅整流电源设备是我国铝电解工业的迫切需求，对铝电解工业的开展和前进有着重要意义。为此在我国有色金属工业技能沟通开发中心承揽的长城铝业公司水电厂电解整流电源体系技改项目中，推广应用我所研发的单台整流器额外输出为35KA/1150V的同相逆并联可控硅整流电源。
二、直降大功率可控硅整流电源体系
1、 长城铝业公司电解系列电源技能要求： 系列电流：80KA 系列电压：1150V 稳流精度：0.1% 整流功率：>98%
2、 电源体系装备
针对上述技能要求，经过充沛调研证明，考虑到往后系列电流需求要强化，确认系列整流电源由4台110KV直降同相逆并联整流变压器（江西变压器厂出产）、4台额外输出为35KA/1150VDC的高功用同相逆并联可控硅整流电源及一套110KV高压滤波器（沈阳铝镁规划研究院研发）组成，由沈阳铝镁规划研究院完结总体规划。进线电源为多进线110KV体系，正常运转时4台机组投入运转；当一台机组检修时，其它三台仍能满意电解出产需求。4台整流变压器一次侧为弯曲接法，别离移相±22.5°、±7.5°，4台运转时，系列输出等效24相直流电压。整流变压器一次侧选用无载倒段开关，使输出直流电压别离为1150V、950V，以确保在电解槽数较少时前进功率因数，下降谐波电流。整流电源体系结构图如图1所示。
三．35KA/1150V同相逆并联可控硅整流电源的特色
在山东铝业公司我所同相逆并联45KA/500V可控硅整流电源成功运转的基础上，针对长城铝业公司高电压的特色，在产品规划制作上作了缜密详尽的考虑，使整流电源的技能目标进一步前进。
1 高绝缘强度
本设备额外电压为1150VDC，是国内外同相逆并联大电流可控硅整流设备中的最高电压。因为同相逆并联技能特色是要求同相的两根反极性母排的间隔尽量小，不然其作用将大大削弱，为此对1150VDC的高电压整流设备结构的绝缘作了必要的加强，以确保有满足的绝缘强度，实践运转中，电网的电压高达120KV以上，设备仍正常运转。
2 下降噪音和振荡
在原结构的基础上，对整流器采取了全体加固办法，使本设备的噪音和振荡较山铝产品有显着的下降。
3 沟通进线
为确保沟通进线的对称性和结构的完整性，将同相同极性的沟通母排联成一体由中心进线，且改善了整流器沟通母排的机加工工艺，确保了沟通进线母排联接对称。
4 无渗漏
针对原规划中主水管接头易渗水,水管加压后胀大现象，规划制作了新的管接头，选用高强度管材，有效地处理了渗水现象。
5 快熔冷却
快熔选用双面水冷办法，有效地下降了快熔的温度。室温为38℃，额外电流时快熔最高壳温70℃左右。
6 选用高功用的西门子电容作为换相电容
此外，本设备仍保留了45KA/500V整流电源的长处：选用技能目标优异的ABB４吋可控硅和法国FERRAZ快速熔断器，本设备的其它首要元件均选用进口或中外合资厂家的产品。每台整流电源装备2台浪涌维护箱、3台就地操控柜：电流调理柜、信号维护柜、辅佐电源柜。悉数设备均由天津电气传动规划研究所规划制作。
综上所述，长城铝业公司所用的35KA/1150V同相逆并联可控硅整流器具有比45KA/500V电源更高的技能目标和工艺水平，在实践运转中牢靠作业。
四.主动稳流操控体系
1.体系结构及作业原理
每台整流电源电流调理柜中的主动稳流操控体系，选用独立的电流闭环操控，具有优异的稳流功用，即便发作多个阳极效应，其动态稳流精度仍可达0.1%。
图2为主动稳流操控体系方框图，其稳流原理扼要阐明如下：当某一电解槽发作阳极效应时，其槽压由4V阶跃到30V左右，导致直流电流Id下降，If随之下降，差值电流DI=Idg-If -，使触发角a前移，输出直流电压敏捷升高，坚持直流电流不变。因为体系动态呼应好，调理进程在毫秒级即可完结，因此输出直流电流动摇很小，仅几十安培。关于电网动摇，相同可完结主动稳流。
2.整流电源的电流给定
(1) 本地给定：在电流调理柜上手动设定所需的运转电流，一般用于调试阶段。
(2) 遥控给定：在主控室各机组对应的1#~4#整流器操控柜手动设定，经过变换器将电流给定信号变为0~20mA的电流源信号，送到电流调理柜，这样可有效地防止长间隔传输或许遭到的搅扰。在正常运转时，操作人员可在主控室灵敏操控各整流器的运转电流，互相不受束缚。
(3) 核算机给定：由主控室上位机数字设定电解系列总电流给定，与装设于总直流母排上的LEM直流传感器的总电流反应信号组成闭环主动调理体系，完结系列电流主动稳流。核算机将总给定经过变送器变成0~20mA信号别离送达每个整流机组，一切受控机组有相同的电流给定。
实践证明，设置上述三种给定,操作灵敏、快速，在需求切投某机组时系列电流无显着动摇。在核算机操控机组投入切除的进程中，各机组的输出电流值主动均匀分配，牢靠地确保了电解出产的需求。
3. 整流电源的信号维护体系
每个整流电源均有一台信号维护柜，具有完善的维护功用，柜内装备了OMRON C200H系列可编程序操控器（PLC），I/O信号量可达200点，并可依据需求灵敏扩展。PLC依据体系的维护和工艺要求完结各种信号的收集、处理，完结机组的投、切操作、毛病信号的回忆、报警；在发作跳闸毛病时经过调理柜完结推b、封脉冲及无载跳闸操作；一起，PLC将一切的信号送至主操控室上位机操控体系（淄博凯鹏高科工贸有限责任公司研发），由上位机完结分类处理、报表打印及声光报警等，每个毛病跳闸信号和毛病报警信号均可显现和打印输出，PLC信号维护体系具有下述功用。
(1) 电流调理体系
a. 当电流输出>112% IdN（IdN为直流额外电流值）时，报警，体系正常作业；
b. 当设备快熔熔断一只时，报警，并主动使整流电流输出减小20%，体系持续运转；
c. 当±15V、+24V、同步电源反常、输出电流达125%IdN、、快熔熔断二只等任一毛病发作时，体系经过PLC推b，使电源电流输出敏捷降至零，一起经过PLC操作高压断路器完结无载跳闸；
d. 当IdN>130%IdN时，电流调理体系主动推b，使IdN在十几毫秒内敏捷降为零。
(2) 冷却体系
a. 跳闸信号：主水（去离子水）水温高、主水低水位、主水低流量、主水高电导；
b. 报警信号：主水低水位、主水低流量、主水水温高、付水失压。
(3) 变压器
a. 跳闸信号：沟通电流过载、浪涌过压、浪涌电流瞬断、浪涌电流过流、三相不平衡、压力开释阀开释、重瓦斯；
b. 报警信号：变压器高温、轻瓦斯、高油位、低油位、备用冷却器自投、冷却器油泵过载、冷却器风机过载、冷却器油泵流量异常。
五．调试和投运
1 出厂调试
本体系悉数4套整流电源研发完结后，在出厂时进行了严厉的体系调试、高压小电流实验和低压大电流实验。
2 现场调试
1999年12月进行现场投运调试：
⑴低压短路大电流实验，每台机组额外负载接连运转8小时；
⑵高压小电流实验；
⑶机组抗搅扰实验。
3 带电解槽运转
机组直接带电解槽的并联投运调试：整流器负荷均衡24小时运转；一台整流器35KA，其它负荷均衡24小时运转。 经现场测验，整流设备可控硅的均流系数均为0.9以上，电流稳流精度到达0.1%。投运后，运转正常，作业牢靠，到达厂家技能要求。
六.整流电源运转噪音及振荡
1 单台整流电源带电解槽运转，因为加工工艺和结构上的改善, 同山铝45KA/500V电源比较,运转时噪音及振荡均显着削弱。
2 整流电源初次并联带电解槽运转，当各整流电源电流升至14KA~20KA，整流电压200多伏时，整流室内直流输出母排振荡激烈，噪音很大，剖析原因如下：
(1) 可控硅整流电源具有主动稳流的特色，它依据DI的巨细主动改动触发角a来调理输出直流电压以到达稳流的意图，在升电流的进程中触发角a在90°－25°之间改变；
(2) 为添加输出相数，减小网侧谐波，各整流电源沟通进线电压之间存在必定的相位差（本体系为15°）。当系列电压较低时，a角很大，各整流电源输出直流电压的瞬时值有很大的差值。各整流电源直流输出母排是直接并联到汇流母排，没有限流电抗器，仅靠母排之间弱小的散布电感来限流，所以此刻将发生很大的动态环流，整流电源额外电压越高，差值越大，环流越大；而在二极管整流体系中，其a角一直为0°，电压瞬时值的差值不大，所以动态环流也较小。
(3) 因为整流电源输出直流电流很大，直流输出母排多选用多根铝母排并联构成，这些铝母排中流过同极性电流，因此在铝母排之间发生相斥的电动力，假如铝母排截面较小，而高频动态环流很大，这样电源直流输出母排将发生很大的振荡和噪音，乃至呈现机械共振，这是高电压可控硅整流器的特别问题。
经核算，本体系各整流电源间直流电压瞬时值的差值最大可达1000V左右，从而会构成很大的高频环流，因此发生了很大的振荡和噪音。依据ABB及我所可控硅整流机组现场调试运转经历，整流室内直流输出母排应尽量选用大截面铝母排并联为好，并设备结实。本体系在改善和加固直流母排后，振荡和噪音已降至正常水平。
七．整流电源的首要技能目标
输入电压：同相逆并联1005VAC、三相、50Hz
输出电压：1150VDC
输出电流：35KADC
稳流精度：0.1%
整流功率：98.5%
噪音：<90dB
均流系数：>0.90
过载：112%报警
过流：125%跳闸
分量：约3吨
体积：2300′2800′1150mm
八．定论
本电源稳流精度、均流系数、噪音等目标均到达或超越世界先进水平，整流设备规划合理、技能先进、结构新颖，作业牢靠，是国内单台容量最大的（40.25MW）直流电压最高的同相逆并联可控硅整流电源。其价格较国外引入的同类产品低40%以上，产品工艺水平同进口产品适当，彻底可以替代进口的同类产品，是大型铝电解电源抱负的更新换代设备。
